Разработка биоэнергетических решений для внесетевых медицинских учреждений

Энергетический кризис в дистанционном здравоохранении

Надежная электроэнергия является основой современной медицины. Она питает хирургические огни, вентиляторы, холодильники для вакцин, стерилизаторы и диагностическое оборудование. Тем не менее, по данным Всемирной организации здравоохранения, примерно один миллиард человек во всем мире обслуживаются медицинскими учреждениями, которые не имеют надежного электроснабжения (] ВОЗ - Улучшение доступа к электричеству в учреждениях здравоохранения . В несетевых и отдаленных районах медицинские учреждения обычно полагаются на дизельные генераторы, которые дороги для топлива и обслуживания, выделяют вредные загрязняющие вещества и часто ломаются. Отключения электроэнергии могут означать разницу между жизнью и смертью - новорожденный на вентиляторе, женщина в затрудненном труде или пациент, нуждающийся в кислороде, все зависит от бесперебойной энергии.

Последствия для здоровья очень серьезные. Без надежной энергии вакцины портятся, стерильные инструменты не могут быть произведены, а ночные чрезвычайные ситуации не могут быть произведены без света. Экономическое бремя также тяжелое: расходы на дизельное топливо могут потреблять 10-15% операционного бюджета клиники в странах с низким уровнем дохода. Кроме того, дизельные генераторы производят шум и пары, которые ухудшают рабочую среду и наносят вред здоровью дыхательных путей. Существует явная и неотложная потребность в чистых, доступных и местных источниках энергии, которые могут поддерживать круглосуточную работу сельских медицинских центров.

Почему биоэнергетика – устойчивая альтернатива

Биоэнергетика предлагает убедительное решение. Она получена из органических материалов — биомассы — таких как сельскохозяйственные остатки, навоз животных, пищевые отходы и специализированные энергетические культуры. В отличие от ископаемого топлива, биоэнергия является возобновляемой, потому что углекислый газ, выделяемый во время сгорания, улавливается растениями во время их роста, создавая почти углеродно-нейтральный цикл. Для медицинских учреждений вне сети биоэнергия может генерироваться прямо на месте или получаться из близлежащих ферм и сообществ, минуя длинные и хрупкие цепочки поставок топлива.

Биоэнергетические системы могут быть разработаны для производства электроэнергии, тепла или обоих (комбинированное тепло и энергия). Эта универсальность особенно ценна в здравоохранении, где клиника нуждается в электричестве для освещения и оборудования, а также в горячем водоснабжении. Используя местные доступные отходы, биоэнергетика также решает проблемы санитарии и управления отходами - двойное преимущество для сообществ, которые борются как с энергетической бедностью, так и с надлежащей утилизацией отходов. Международное агентство по возобновляемым источникам энергии отмечает, что биоэнергетика уже обеспечивает около половины всей возобновляемой энергии, потребляемой во всем мире, и ее потенциал в условиях автономной сети остается в значительной степени неиспользованным (] IRENA - Bioenergy .

Биоэнергетические технологии для здравоохранения

Несколько зрелых биоэнергетических технологий хорошо подходят для масштаба и потребностей внесетевых медицинских учреждений. Выбор зависит от наличия местного сырья, моделей спроса на энергию, технических возможностей и бюджета. Ниже приведены наиболее перспективные варианты.

Биогазовые дигестеры

Биогазовые дигестеры работают через анаэробное пищеварение, где микроорганизмы расщепляют органический материал в резервуаре без кислорода. Процесс дает биогаз - в первую очередь метан и углекислый газ - который можно сжигать непосредственно для приготовления пищи, освещения, отопления или запуска генератора для производства электроэнергии. Общие исходные материалы включают коровий навоз, свиной навоз, человеческие отходы и пищевые отходы. Среднеразмерный дигестер (например, 6-8 кубических метров) может производить достаточно биогаза для питания кухни небольшой клиники и генерировать несколько киловатт-часов электроэнергии ежедневно.

В сельских медицинских учреждениях биогазовые системы предлагают множество преимуществ. Они снижают зависимость от дров или древесного угля для приготовления пищи, снижая давление обезлесения и устраняя дым в помещении. Они также обрабатывают отходы, уменьшая патогены и запахи. Многие успешные установки существуют в странах Африки к югу от Сахары и Южной Азии. Например, проект в западной Кении соединил биогазовый дигестер 10 м3 с генератором 3 кВт для подачи энергии для освещения, охлаждения вакцин и зарядной станции телефона на общественном медицинском посту — резко сокращая потребление дизельного топлива.

Биотопливные генераторы

Жидкое биотопливо — такое как биоэтанол и биодизель — может заменить дизельное топливо в стандартных или модифицированных генераторах. Биоэтанол производится путем ферментации сахаристых или крахмалистых культур, таких как сахарный тростник, маниока или сладкое сорго; биодизель поступает из масличных культур, таких как ятрофа, подсолнечное или используемое растительное масло. Эти виды топлива могут производиться локально на небольших перерабатывающих заводах, безопасно храниться и использоваться по требованию. Для клиники, которая нуждается в надежном, диспетчерском электричестве для критического медицинского оборудования, генератор биотоплива может служить резервным или основным источником.

Важным соображением является конкуренция за сырье с производством продовольствия. В проектах по устойчивому биотопливу используются непродовольственные культуры, сельскохозяйственные остатки или отработанные масла. Например, завод Джатрофа растет на маргинальных землях, а его семена дают масло, пригодное для биодизеля. Для предотвращения негативных последствий для продовольственной безопасности необходимы тщательная оценка жизненного цикла и консультации с общественностью. При правильном подходе местное производство биотоплива может создать рабочие места и сохранить расходы на энергию в местной экономике.

Котлы и гассификаторы биомассы

Прямое сжигание твердой биомассы в котле приводит к образованию пара или горячей воды. Это тепло может использоваться для стерилизации приборов, прачечной и отопления помещений. В тропическом климате стерилизация часто является приоритетом: автоклавы и паровые стерилизаторы являются энергоемкими устройствами, жизненно важными для инфекционного контроля. Котельные биомассы, работающие с сельскохозяйственными остатками, такими как рисовая шелуха, кукурузные початки или древесная щепа, предлагают недорогой источник тепла. Современные газификаторы повышают эффективность за счет преобразования твердой биомассы в горючий газ (сингаз), который может работать на двигателе или турбине для производства электроэнергии.

Системы газификации более сложны, но могут производить как тепло, так и энергию (ТЭЦ) из различных видов сырья. Для сельской больницы на 50-100 коек небольшой газификатор (10-50 кВт) может обеспечить все потребности в электроэнергии, в то время как отработанное тепло удовлетворяет требованиям стерилизации и кондиционирования помещений. Основными препятствиями являются необходимость в обученных операторах и постоянном качестве топлива (содержание влаги, размер). Однако при надлежащем проектировании и обучении сообщества эти системы могут надежно работать в течение многих лет.

Разработка биоэнергетической системы для внесетевых клиник

Разработка успешного решения для биоэнергетики для медицинского учреждения требует систематического подхода. Каждый участок имеет уникальные условия, которые влияют на выбор технологий, размеры и управление. Следующие соображения дизайна имеют решающее значение.

Оценка запасов и цепочка поставок

Наиболее фундаментальным требованием является надежное круглогодичное предложение сырья. Оценка должна количественно определять тип, объем и характеристики доступных органических материалов в пределах разумного радиуса транспортировки. Например, клиника в районе со многими животноводческими фермами может иметь обильный коровий навоз для биогаза; одна возле рисовой мельницы может иметь рисовую шелуху, подходящую для газификации. Цепь поставок должна быть устойчивой к сезонным колебаниям - численность животных может колебаться, остатки урожая собираются только после сбора урожая, а содержание влаги изменяется с климатом. План хранения буфера и, возможно, несколько типов сырья помогают обеспечить непрерывную работу.

Системный размер и масштабируемость

Энергетическая система должна соответствовать профилю нагрузки клиники. Детальный энергетический аудит является первым шагом: измерение пикового спроса, моделей ежедневного потребления и критических нагрузок (например, холодильник для вакцин, кислородный концентратор, операционные огни). Для небольшой клиники (5-15 коек) типичная электрическая нагрузка может составлять 5-15 кВтч / день, при этом тепловые нагрузки для стерилизации требуют дополнительных 20-50 кВтч тепла. Система биоэнергетики должна быть рассчитана на удовлетворение этих потребностей с запасом прочности, но не превышать его, чтобы избежать отходов и высоких капитальных затрат. Модульные конструкции, которые позволяют расширяться по мере роста клиники, идеальны. Например, биогазовый дижестивер может быть расширен путем добавления второго резервуара, а газификатор может быть увеличен с помощью модернизации двигателя.

Требования к эксплуатации и техническому обслуживанию

Системы биоэнергетики более технически требовательны, чем солнечные панели, но в некотором смысле проще, чем дизельные двигатели. Ключевые задачи технического обслуживания включают: ежедневный подачу дижестировщика, периодическую очистку топливных фильтров, удаление золы из котлов и калибровку датчиков для газификаторов. Запасные части (например, насосы, клапаны, компоненты генератора) должны быть локально доступны или запасены. Конструкция системы должна отдавать приоритет простоте и надежности по сравнению с пиковой эффективностью. Хорошо обученный местный оператор имеет важное значение; проект должен включать в себя всесторонние учебные и семинары по повышению квалификации. Многие сбои в проектах биоэнергетики вне сети можно проследить до неадекватного планирования технического обслуживания.

Экономический анализ и модели финансирования

Первоначальные капитальные затраты на системы биоэнергетики могут варьироваться от 1000 долларов США для небольшого бытового биогазового блока до 50 000 долларов США или более для полной системы газификатора-ТЭЦ в больнице. Однако эксплуатационные расходы намного ниже, чем у дизельного топлива - часто около нуля, если исходное сырье является бесплатным отходом. Простой анализ окупаемости, учитывающий избегаемые закупки топлива, снижение износа аккумуляторов и более низкое техническое обслуживание дизельного топлива, как правило, показывает окупаемость в течение 2-5 лет. Тем не менее, первоначальное финансирование остается барьером для большинства медицинских учреждений в условиях с низким уровнем дохода. Инновационные модели, такие как гранты на основе производительности, углеродные кредиты (например, проекты, сертифицированные по золотому стандарту) и совместные инвестиции сообщества могут преодолеть разрыв. Некоторые правительства и НПО предоставляют субсидии или лизинговые соглашения для снижения начальной стоимости.

Участие и обучение общин

Местная собственность имеет жизненно важное значение для долгосрочной устойчивости. Сообщество должно быть вовлечено с этапа планирования, чтобы выбрать технологию, определить систему сбора сырья и создать комитет по управлению. Обучение должно выходить за рамки работы, чтобы включать в себя основные процедуры устранения неполадок, процедуры безопасности и даже деловые навыки, если система производит избыточную энергию или побочные продукты (например, биосуспензия в качестве удобрения). В некоторых случаях биоэнергетический объект может стать микропредприятием, продавая избыточную электроэнергию или органические удобрения близлежащим фермам, генерируя доход для фонда обслуживания клиники.

Примеры из реального мира: биоэнергетика, укрепляющая здоровье

Многочисленные проекты по всему миру демонстрируют, что биоэнергетика может успешно питать автономные медицинские учреждения, улучшая предоставление услуг и устойчивость.

В Кении, сельском медицинском центре в округе Кисуму, установлен биогазовый дигестер 12 м3, питаемый коровьим навозом из соседнего кооператива. Биогаз поставляет газовую плиту для кухни клиники и работает генератор мощностью 5 кВт, который питает огни, холодильник для вакцин и водяной насос. Клиника теперь тратит менее 10% своего предыдущего дизельного бюджета, а оставшаяся биосоль используется в качестве удобрения на полях кооператива. Этот проект был поддержан местной НПО и правительством округа, с обучением, предоставленным трем общественным работникам здравоохранения.

В Индии штат Одиша впервые применил газификацию биомассы в центрах первичной медико-санитарной помощи. Газификатор мощностью 20 кВт с использованием рисовой шелухи и раковин из арахиса питает две отдаленные клиники, обеспечивая электричеством основное оборудование и освещение. Отработанное тепло от двигателя используется для парового стерилизатора. Система была разработана Индийским технологическим институтом (IIT) и поддерживается местной компанией по обслуживанию энергии. С 2018 года в клиниках было 95% времени безотказной работы, что значительно лучше, чем у предыдущего дизель-генератора, который часто ломался из-за фальсификации топлива и плохого обслуживания.